Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методика расчёта циклической трещиностойкости стальных балок. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А.И. Скляднев, М.А. Рогатовских, М.А. Бутузова
Методика расчёта циклической трещиностойкости
стальных балок
Учебное пособие
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2013
1
УДК 624.01 (07)
С 439
Рецензенты:
А.Г. Перехоженцев, зав. кафедрой «Архитектура» Волгоградского архитек-
турно-строительного института, д-р техн. наук., профессор;
Э.Г. Семенова, зав. кафедрой «Проектирование зданий и сооружений»
ВГАСУ, канд. техн. наук., доц.
С 439 А.И. Скляднев. Методика расчёта циклической трещиностойкости
стальных балок. [Текст]: учеб. пособие / А.И. Скляднев, М.А. Рогатовских,
М.А. Бутузова. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического
университета, 2013. - 50 с.
ISBN 978-5-88247-628-0
Учебное пособие предназначено для подготовки студентов 4-го курса инженерно-строительного факультета к занятиям по дисциплине «Металлические
конструкции». Может быть использовано при подготовке аспирантов.
Ил. 6. Библиогр.: 10 назв. УДК 624.01 (07)
Печатается по решению редакционно-издательского совета ЛГТУ.
ISBN 978-5-88247-628-0 © ФГБОУ ВПО «Липецкий
государственный технический
университет», 2013
2
Содержание
Введение ................................................................................................................... 4
1. Общие положения ............................................................................................... 15
2. Возможные схемы расположения трещин в балках и способы определения
коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) и их размахов ............... 18
3. Характеристики трещиностойкости и предельные состояния балок
с трещинами .......................................................................................................... 25
4. Параметры кривой усталостной прочности и оценка долговечности балок
с трещинами .......................................................................................................... 28
5. Анализ трещиностойкости подкрановой балки (пример) ............................... 33
6. Библиографический список ............................................................................... 48
3
ВВЕДЕНИЕ
Проблема повышения усталостной прочности балок занимает одно из центральных мест при проектировании и эксплуатации подкрановых конструкций,
пролетных конструкций мостов, подъемно-транспортных конструкций, балок
рабочих площадок и других конструкций, испытывающих переменные нагрузки. Известно, что определяющую роль в снижении долговечности таких конструкций играют конструктивные и технологические концентраторы напряжений, от которых начинается постепенное развитие трещин, при этом часто запасы по условиям статической прочности не имеют принципиального значения.
Традиционные методы расчета и нормы проектирования ориентированы на решение практически невыполнимой задачи – определение уровня нагрузок, при
котором усталостная трещина не появилась бы за весь срок эксплуатации.
Как известно, усталостное разрушение материала в конструкциях, загруженных циклическими нагрузками, характеризуется тремя стадиями – стадией
зарождения, стадией роста трещины и стадией окончательного разрушения.
Стадия окончательного разрушения представляет собой разрушение конструкции при однократном последнем загружении.
Граница между первой и второй стадиями не очень ясна. Вопрос о том, когда микротрещину нужно считать макротрещиной, зависит от общих размеров,
геометрии и назначения конструкции. Согласно СНиП III-18-75. “Металлические конструкции. Правила производства и приемки работ” допускаются поры
и шлаковые включения диаметром до 1 мм. Таким образом, несплошности материала и микродефекты с размерами до 1 мм в сварных швах появляются уже
в процессе изготовления.
В действительности, вероятность обнаружения дефекта менее 2-3 мм современными методами контроля качества очень низка. Конструкция может
также содержать нетрещиноподобные дефекты и концентраторы напряжений,
например, расслоения, цепочки пор, и т.д., которые сравнительно легко могут
трансформироваться в трещины за небольшое время эксплуатации.
4
Согласно классификации Д. Броека, процесс разрушения начинается на
микроуровне, когда речь идет о нарушении сплошности путем разделения межатомных связей, при этом размеры трещины составляют 10
-10
- 10
-8
м. Второй
уровень - трещина соизмерима с размерами структурных зерен, и развитие
трещин объясняется чаще всего теорией дислокаций. Длина трещины в этом
случае составляет 10
-8
- 10
-4
м. Прикладная механика, в том числе теория упругости и теория пластичности, рассматривает конструкцию как континиум, при
этом размеры трещин составляют от 10
-4
до 1 м. В технических и прикладных
задачах учитываются, как правило, размеры трещин от 1 см до нескольких метров.
Учитывая, что в подкрановых балках нормами на изготовление допускаются трещинообразные дефекты с размерами до 10-3 м, то вопрос расчета на
уровне не появления трещин не имеет четкой постановки, а рассмотрение процесса разрушения с позиций разрыва межатомных связей или движения дислокаций в нашем случае не имеет смысла.
Допускаемые размеры дефекта, который можно было бы считать макротрещиной, в подкрановых балках, главных балках мостовых переходов и других балках нормированы. То есть, несмотря на запрет эксплуатации балок с
трещинами, вопрос о том, когда их нельзя использовать без ремонта или без
снижения полезных нагрузок, не решен и носит субъективный характер. На основе практики обследования и оценки технического состояния подкрановых
путей микротрещиной логично считать трещину (несплошность) с визуально
различными размерами. Визуально видимыми в условиях обследования эксплуатируемых производственных зданий, мостовых переходов, крупногабаритных
балок различного назначения являются трещины с минимальной длиной 1050 мм. Таким образом, четкой границы между микротрещиной (до 1 мм) и макротрещиной (10-50 мм) не имеется.
Рассмотрим факторы, влияющие на зарождение и развитие микротрещины
в начальный (инкубационный) период.
5
1. Состояние поверхности стальных листов (стенки и полок)
Царапины, риски от резцов, коррозионные и т.п. повреждения в расчетах
балок на усталостную прочность никогда не учитывались, между тем микрогеометрия поверхности может существенно влиять на величину предела выносливости Эффективный коэффициент концентрации напряжений, равный отношению предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца без обработки, по разным оценкам колеблется от 1.1 до 1.7.
2. Структура и состав стали
Из результатов испытаний, проведенных разными авторами, Я.Б. Фридман,
ввиду большого разброса данных, делает лишь качественные выводы о влиянии
структуры и состава стали, в том числе:
- увеличение размеров зерна в поликристаллах уменьшает число циклов до
разрушения;
- неметаллические включения (окислы, сульфиды) уменьшают предел вы-
носливости.
Заметим, что качественная (но не количественная) оценка влияния структуры и состава стали сделана по результатам испытаний гладких полированных
образцов круглого сечения. Количественная оценка влияния структуры и состава стали на предел выносливости в крупномасштабных конструкциях тем более
не представляется возможной, поэтому никак не оценивается то обстоятельство, что в зоне термического влияния поясного сварного шва имеются участки
с крупнозернистой структурой (в последнее время называемые “твердыми прослойками”), располагаемые вдоль сварного шва и обладающие пониженной
усталостной прочностью.
Кроме того, установлено влияние текстуры, то есть определенной ориентации зерен и включений, при этом пределы выносливости легированных ста-
лей (-1) для образцов, вырезанных вдоль прокатки, были выше, чем для образцов, вырезанных поперек прокатки, на 6-43%.
6
3. Абсолютные размеры конструкции
С увеличением размеров образцов сопротивление усталости уменьшается.
Относительно причин, обуславливающих масштабный эффект, в настоящее
время нет общепринятого мнения. Статистическая теория усталостной прочности объясняет лишь качественную зависимость. Среди причин, объясняющих
это явление, называют также технологические причины (металл меньших сечений более качественный), способы обработки поверхностей (одни и те же дефекты поверхности проявляются более резко для крупных сечений) и другие
причины.
Поскольку предел выносливости определяется по образцам ГОСТа, перенос результатов на крупногабаритные конструкции (в нашем случае балки)
должен быть каким-либо образом скорректирован.
4. Геометрические размеры и форма поясных сварных швов
По изготовлению сварных балок, испытывающих переменные нагрузки,
есть указания о том, что поясные сварные швы должны выполняться с полным
проваром на всю толщину стенки, при этом никаких дополнительных сведений
о требуемой форме сварного шва не содержится. Между тем, исследования тавровых и сварных соединений, близко моделирующих поясные сварные соединения в двутавровых балках, показали, что как усталостная, так и малоцикловая
прочность соединения зависят от геометрии сварного шва.
Механическая обработка, обеспечивающая плавное сопряжение шва с основным металлом, приводила к повышению предела выносливости при растяжении – сжатии тавровых соединений на 58-93%.
Очевидно, что рациональная форма и размер сварного шва с позиций повышения усталостной прочности будут зависеть от характера и направления
действующих усилий, однако в настоящее время, помимо общих соображений о
соблюдении, по возможности, плавных переходов, никаких конкретных указаний не имеется.
7
5. Дефекты сварного соединения
Сварное соединение, помимо того, что не обеспечивает плавного перехода
от одного листового элемента к другому и создает концентрацию напряжений в
зонах перехода от металла шва к основному металлу, создает рядом со швом
зону термического влияния с неоднородными механическими свойствами, часто имеет различные трудноопределимые и трудноустранимые на стадии изготовления дефекты.
Наружные дефекты типа подрезов, наплывов, неравномерности шва, непровары по кромке, кратеры, наружные поры, а также внутренние дефекты типа непровара корня шва, внутренние поры, шлаковые включения и другие,
служат источниками концентрации напряжений. Полноценного экспериментального или теоретического анализа их влияния на предел выносливости двутавровых балок в настоящее время нет, в то время как результаты обследований
подкрановых и мостовых конструкций и других балок, испытывающих переменные нагрузки, показали, что зарождение трещин в балках происходит исключительно в местах концентрации напряжений.
6. Концентраторы напряжений, вызванные прикреплением
конструктивных элементов и ослаблением сечений
Конструктивными элементами, оказывающими влияние на усталостную
прочность, являются поперечные ребра жесткости, вертикальные связи, опорные ребра жесткости и некоторые другие.
В зоне прикрепления к верхнему поясу ребра жесткости имеют скосы либо
вырезы (в подкрановых балках – треугольного, в мостовых – овального очертания), которые являются источниками концентрации напряжений. Трещины
распространяются от концов сварных швов, прикрепляющих ребра жесткости к
стенке, однако неизвестно, что создает в этих местах большую концентрацию
напряжений: кратер сварного шва, либо скос ребра жесткости. По-видимому,
здесь есть влияние того и другого фактора, однако количественное соотношение их влияний не установлено.
8
Причиной образования часто являются концентраторы напряжений, создаваемые отверстиями для крепления вертикальных связей подкрановых конструкций. Эти трещины, развиваясь горизонтально, полностью пересекают поперечное ребро жесткости и выходят на стенку. Дальнейшее распространение
трещины по стенке происходит в горизонтальном направлении.
7. Остаточные сварочные напряжения
Остаточные сварочные напряжения могут изменить предел выносливости
сварных конструкций, особенно при наличии концентраторов напряжений, в
несколько раз. Подобно напряжениям от внешних нагрузок, остаточные напряжения могут создавать концентрацию напряжений около надрезов, непроваров,
подрезов, резких изменений сечения и т.п. концентраторах, которые, как уже
отмечалось, всегда имеются в подкрановых балках. Особенно высокая опасность остаточных напряжений обусловлена тем, что они создают растягивающие напряжения в околошовной зоне, оказывающие сильное влияние на усталостную прочность конструкций.
Вопрос учета остаточных напряжений непосредственно связан с определением и учетом концентрации напряжений. Поскольку полноценная количественная оценка концентрации напряжений в балках в настоящее время не сделана, вопрос учёта остаточных напряжений в расчете таких конструкций на выносливость представляется весьма проблематичным.
Таким образом, на зарождение трещин в сварных двутавровых балках,
подверженных циклическим нагрузкам, влияет много факторов, количественная оценка которых в настоящее время не установлена.
На рис. 1 систематизированы основные факторы, влияющие на сопротивление двутавровых балок усталости.
9
1.Факторы, влияющие на сопротивление усталости сварных двутавров.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]